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地球磁场的起源之谜变得更复杂了

时间: 2020年04月15日 | 作者: Admin | 来源: 原理
从杰克山岗的古老地表露头中挖掘出的矿物,是地质学领域的研究重点,因为它们似乎携带了能将地球磁场追溯到42亿年前的信息,几乎追溯到了地球本身的形成时间。

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杰克山岗位于澳大利亚西部,因具有众多古老岩石而著名。| 图片来源:Wikipedia


然而,尽管这样一个地球磁场的起源故事听起来很令人兴奋,但一项新发表于《科学进展》的论文却表示,研究人员在检测了一种被称为锆石的晶体之后,得出了“地球磁场的起源仍然是一个谜”的结论。这些锆石是从相同的露头岩层中开采出来的,但研究人员发现,将这些锆石作为研究古地磁学的依据是非常不可靠的。换句话说,目前我们无法确定,地球磁场是否在早于35亿年前的时间就已经存在。


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一块古老的锆石晶体示例。| 图片来源:John Valley/University of Wisconsin


论文的作者之一Caue Borlina表示,目前并没有坚实的证据能证明磁场在35亿年前就已经存在,即使有这样一个场的存在,也很难从杰克山岗的锆石中找到相关的证据。


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2020年4月8日,刊登在《科学进展》的一篇新论文表示,一直被用于古地磁学研究的来自澳大利亚的杰克山岗的锆石,并不可靠。| 图片来源:Science Advances


地球磁场被视为是地球之所以能成为一个宜居星球的重要原因。磁场不仅为我们的指南针确立了方向,还起到了屏障的作用——它能使太阳风偏转,从而阻止了太阳风对大气层的侵蚀。


科学家已经知道,现在的地球磁场是由地球的液态铁核的凝固所驱动的。铁核的冷却和结晶搅乱了周围的液态铁,产生了强大的电流,从而生成了能延伸到太空的磁场。这种磁场被称为地球发电机。


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显示了地球周围磁场的艺术构想图。| 图片来源:Greg Shirah & Tom Bridgman, NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio


研究地球磁场的起源可以显示地球最初的生命形式在形成时的早期条件。我们知道,生命出现在地球最初的10亿年里,即介于44亿年前和35亿年前的那段时间里。因此,那段时间究竟有没有磁场的存在,对地球上生命出现的环境具有不同的意义。


之前,有多项证据表明地球磁场已经至少存在了35亿年了。但与此同时,我们又认为地球的核心是在10亿年前开始凝固的,这意味着在10亿年前就存在的地球磁场一定由其他机制驱动的。因此,准确地确定地球磁场的形成时间,可以帮助科学家们更好地弄清楚到底是什么产生了磁场。


一直以来,科学家都喜欢用从古老岩石中采集的矿物来确定地球磁场在过去时间里的方向和强度。当岩石形成并冷却时,颗粒中的电子会朝着周围磁场的方向向一方偏移。一旦岩石冷却到一定的温度(也就是所谓的居里温度),电子的方向就确定下来了。科学家可以通过确定这些颗粒的年龄,并使用标准的磁力仪来测量这些电子的偏移方向,来估测在某一特定时间点地球磁场的强度和方向。


自2001年以来,麻省理工学院的行星科学教授Benjamin Weiss和他的团队就开始研究杰克山岗的岩石和锆石颗粒的磁化强度,以求了解它们之中是否包含记录了地球磁场的古老历史的信息。


Weiss说:“杰克山岗的锆石是古地磁学的研究史上研究过的磁性最弱的物体之一。此外,这些锆石中包含了一些已知最古老的地球物质,这意味着有许多地质事件可能会重置它们的磁性记录。”


2015年,罗彻斯特大学的一些研究人员在分析杰克山岗的锆石时,在年代测定为42亿年前的锆石中发现了磁性材料。这成了首个表明地球磁场可能在35亿年之前就已经存在的证据。


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2015年,《科学》上所刊登的一篇论文表示,杰克山岗的一些锆石记录了40多亿年前的磁性记录。| 图片来源:Science


新的论文指出,2015年的那项研究并没有确定他们所检测到的磁性物质是在那些锆石晶体形成期间就形成了的,还是是在锆石晶体形成之后才形成。


在新研究中,Weiss等人从杰克山岗的岩石中采集了3754颗锆石颗粒,每颗约长150微米,与人类头发的粗细程度相当。利用年代测定技术,他们测量了每颗锆石颗粒的年龄,范围在10亿年到42亿年不等。


其中,大约有250颗颗粒的年龄超过了35亿年。研究人员筛选出这些“年迈”的颗粒,对它们进行成像,试图从这些样本中寻找裂缝或者是次级材料的迹象,比如那些可能在锆石晶体形成之后才沉寂在它们之上或者形成于它们内部的矿物材料;与此同时,他们还在找寻能证明这些晶体在过去几十亿年中经历了明显加热的证据。在这250颗锆石中,他们发现只有3颗锆石是相对没有这些杂质的,因此它们可能含有较好的磁性记录。


随后,研究人员对这三颗锆石颗粒进行了详细的实验检测,以确定它们可能含有何种磁性物质。最终,他们确定了在其中两颗锆石颗粒中,存在一种名为磁铁矿的磁性矿物。通过观察这两颗锆石的截面,他们确定了磁铁矿在锆石颗粒中的所在位置。


他们是在锆石的裂缝以及破损区域发现的磁铁矿。这些裂缝可以让水和其他元素进入到岩石的内部,并且可能让次级磁铁矿进入到晶体中,而这些次级磁铁矿“尘埃落定”于锆石之中的时间,比这些锆石最初的形成时间要晚得多。这表明,无论怎么看,这些锆石都不能作为可靠的地球磁场记录器。


这项研究表明,一直以来被科学家视为记录了地球磁场历史的锆石颗粒是不值得信赖的。它也表明,科学家并不知道在早于35亿年前的时间里,地球磁场是在何时以何种方式出现的。


这一结果让一些研究古地磁学的科学家对杰克山岗的锆石产生了极大的怀疑,因为它们显然无法准确记录35亿年前的古地磁强度。其实自2015年以来,这场关于锆石的辩论就一直在古地磁学中激烈进行。


Borlina表示,从某种意义上说,新的研究揭示了一个重要的结果,那就是它帮助研究人员排除了一个寻找答案的方向。与此同时,Weiss认为尽管新的结果显示了杰克山岗锆石的不可靠性,但过去对这些锆石的磁性分析仍然是非常有价值的,他说:“最初报告了锆石磁性研究的团队在试图攻克这个极具挑战性的问题上值得众人称赞。他们和我们所展开的所有工作,让我们现在更好地了解该如何研究古代地质材料的磁性。我们现在可以开始将这一知识应用到其他矿物颗粒和其他行星的颗粒上。”


参考链接:

http://news.mit.edu/2020/origins-earth-magnetic-field-mystery-0408

https://advances.sciencemag.org/content/6/15/eaav9634